綜述：3D打印微結(jié)構(gòu)助推柔性壓力傳感器性能提升

來源：MEMS

隨著柔性電子技術的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)剛性電子器件正逐步被更輕便、可變形、功能可重構(gòu)的新型柔性器件所取代，在人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、健康監(jiān)測和可穿戴設備等領域展現(xiàn)出廣闊應用前景。作為柔性電子的核心組成部分，柔性壓力傳感器憑借對壓力、形變等機械刺激的精準感知能力，在智能機器人、電子皮膚、人機交互等場景中發(fā)揮著至關重要的作用。尤其是通過模擬人類皮膚的觸覺感知，柔性壓力傳感器為軟電子系統(tǒng)賦能，為推動下一代智能技術奠定了基礎。

盡管近年來柔性壓力傳感器在材料選擇、感測機制和結(jié)構(gòu)設計等方面取得了顯著進展，然而如何同時實現(xiàn)高靈敏度、寬檢測范圍與高空間分辨率，仍然是亟待突破的關鍵難題。傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)和制備方法受限于接觸面積飽和、響應線性差、結(jié)構(gòu)設計受限等問題，嚴重制約了傳感器性能的提升。微結(jié)構(gòu)設計作為優(yōu)化應力分布、提升性能的重要策略逐漸受到重視，但受限于光刻、模具等傳統(tǒng)工藝的復雜性和可擴展性問題，微結(jié)構(gòu)的制備和應用仍面臨諸多挑戰(zhàn)。近年來，3D打印技術的興起為柔性壓力傳感器的微結(jié)構(gòu)構(gòu)筑提供了全新路徑，憑借其高自由度、可定制和多材料集成的優(yōu)勢，有望突破現(xiàn)有瓶頸，推動柔性傳感器性能與應用邊界的不斷擴展。

針對以上背景，研究人員系統(tǒng)總結(jié)了微結(jié)構(gòu)柔性壓力傳感器的研究進展，重點聚焦3D打印微結(jié)構(gòu)設計在提升傳感器靈敏度、響應速度和耐久性等方面的重要作用，力圖全面梳理不同類型柔性壓力傳感器的工作機理，深入分析3D打印技術在微結(jié)構(gòu)制造中的優(yōu)勢與面臨的挑戰(zhàn)。同時，我們也分享了對未來發(fā)展趨勢的思考與展望，希望為柔性傳感器領域的研究者和工程應用開發(fā)者提供有價值的參考與啟發(fā)。相關綜述論文以Flexible Pressure Sensors Enhanced by 3D㏄rinted Microstructures為題，發(fā)表于期刊《Advanced Materials》，寧波大學金育安教授為第一作者兼通訊作者，浙江大學賀永教授為共同通訊作者。

圖1 3D打印微結(jié)構(gòu)助力柔性壓力傳感器的感測機理、結(jié)構(gòu)設計、制備與應用

1、微結(jié)構(gòu)設計助力感測機制優(yōu)化

柔性壓力傳感器通過壓阻、電容、壓電和摩擦電等多種感測機制，將機械刺激高效轉(zhuǎn)化為電信號。微結(jié)構(gòu)在其中扮演著至關重要的角色，能夠通過調(diào)控局部形變、優(yōu)化應力分布、增加有效接觸面積，大幅提升傳感器的靈敏度、響應速度和檢測范圍。不同感測機制對微結(jié)構(gòu)特性有著各自獨特的需求，系統(tǒng)理解微結(jié)構(gòu)在各類感測機制中的作用，為性能優(yōu)化和器件設計提供了重要指導。

2、3D打印微結(jié)構(gòu)的制備策略

傳統(tǒng)微結(jié)構(gòu)制備方法在精度、復雜度和可擴展性上存在明顯局限，而3D打印技術憑借高自由度、精確構(gòu)筑能力，成為柔性壓力傳感器微結(jié)構(gòu)制造的重要手段。綜述聚焦了基于材料擠出、光固化等3D打印技術的直接制備方法，以及結(jié)合模具復制的間接制備策略，系統(tǒng)分析了不同方法在材料適配性、分辨率、成本與規(guī)?；苽浞矫娴膬?yōu)劣，為柔性傳感器微結(jié)構(gòu)設計提供了豐富的技術支持。

圖2 利用3D打印技術制備不同類型的微結(jié)構(gòu)

3、3D打印微結(jié)構(gòu)柔性壓力傳感器的應用探索

結(jié)合微結(jié)構(gòu)設計與3D打印制造的柔性壓力傳感器展現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能，在多種實際應用場景中展現(xiàn)了巨大潛力。綜述詳細介紹了其在生理信號實時監(jiān)測、運動行為識別、軟體機器人感知系統(tǒng)等領域的前沿應用案例，突顯了柔性傳感器在復雜環(huán)境下保持高靈敏度、高可靠性及良好耐久性的能力，體現(xiàn)了微結(jié)構(gòu)設計與先進制造技術深度融合所帶來的創(chuàng)新突破。

圖3 3D打印微結(jié)構(gòu)在生理信號監(jiān)測、動作識別以及軟體機器人領域的應用

4、未來的挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢

盡管柔性壓力傳感器在性能提升和應用拓展上取得了重要進展，但在多材料3D打印工藝、智能微結(jié)構(gòu)設計、環(huán)境穩(wěn)定性提升等方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)。綜述指出，未來通過引入功能梯度結(jié)構(gòu)、智能響應微結(jié)構(gòu)以及多維感知集成等策略，有望進一步打破性能瓶頸，推動柔性壓力傳感器向更智能、更復雜應用場景演進，為智能可穿戴、醫(yī)療健康與人機交互等領域注入全新活力。

圖4 3D打印微結(jié)構(gòu)在柔性壓力傳感器領域的發(fā)展趨勢

本綜述系統(tǒng)梳理了柔性壓力傳感器領域的最新研究進展，圍繞微結(jié)構(gòu)設計與3D打印制造的協(xié)同優(yōu)化，總結(jié)了關鍵技術路徑與未來發(fā)展趨勢，為推動柔性電子器件的高性能化、智能制造與跨領域應用提供了重要參考與理論支撐。該論文得到了國家自然科學基金和寧波市青年科技領軍人才項目的資助。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202500076